Поверхностное натяжение. Адсорбция

 

Наличие у тел свободных поверхностей приводит к существованию явлений, называемых поверхностными.

В поверхностных явлениях участвуют лишь молекулы, находящиеся у самой поверхности тел.

Различное положение молекул приводит к тому, что энергия молекул в поверхностном слое и внутри различна.

Разность между энергией всех молекул вблизи поверхности и той энергией, которой обладали бы эти молекулы внутри жидкости, называется поверхностной энергией U:

 

∆U = α∆S, (166)

где S – поверхность раздела; α – коэффициент поверхностного натяжения.

Мерой поверхностной энергии служит работа, которую нужно затратить, чтобы создать единицу поверхности жидкости. Тогда α можно выразить как:

 

. (167)

 

Поверхностное натяжение проявляет себя как сила натяжения между молекулами, действующая по поверхности жидкости.

Силы, действующие по поверхности и стремящиеся сократить (сжать) ее, называются силами поверхностного натяжения.

 

Опыт 7.1. Поверхностное натяжение и нитка

 

Цель работы: выяснить действие силы поверхностного натяжения.

Оборудование:

1. Кольцо из проволоки с ручкой.

2. Жидкость для мыльных пузырей.

3. Тарелка.

4. Нитка.

 

 

Рис. 110. Нитка натянута на кольцо

 

Ход работы

1. Наливаем в тарелку жидкость для мыльных пузырей.

2. Привязываем нитку к кольцу из проволоки так, чтобы нить пересекала кольцо.

3. Помещаем кольцо в тарелку с жидкостью для мыльных пузырей.

4. Протыкаем одну из половинок мыльного кольца.

 

 

Рис. 111. Кольцо из нитки помещено в «мыльное кольцо»

 

5. Снимаем нитку с кольца и снова погружаем кольцо в мыльную воду.

6. Делаем кольцо из нитки, кладем его на «мыльное кольцо» и лопаем мыльное кольцо в середине кольца из нитки.

 

Вывод: если на «мыльное кольцо» поместить нитку или другой легкий предмет, то он «прилипнет» к поверхности и будет перемещаться по ней, словно по льду. Это объясняется силой поверхностного натяжения мыльной пленки.

 

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины граничной линии на поверхности жидкости.

 

Поверхностным натяжением обладают любые свободные поверхности жидкости, а также твердого тела.

Когда силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя, то такие растворенные вещества называются поверхностно-активными. Поверхностный слой оказывается объединенным молекулами растворителя и обогащенным молекулами растворенного вещества. Это явление носит название адсорбции, им объясняется устойчивость жидких пленок, пены и т.д.

Пленка из чистой жидкости неустойчива при действии постоянной силы:

а) либо сжимается, если приложенная сила меньше сил поверхностного натяжения;

б) либо растягивается, если приложенная сила больше сил поверхностного натяжения.

Чем сильнее растягивается пленка, тем больше становится поверхностное натяжение.

При сокращении пленки имеет место противоположный процесс. Таким образом, пленка раствора поверхностно-активного вещества ведет себя подобно упругой пленке, она является устойчивой. Аналогично объясняется устойчивость пены.

Процесс адсорбции – это электрический процесс, поэтому ионы особенно активно участвуют в нем.

Можно подобрать такое адсорбирующее твердое вещество, которое будет интенсивно поглощать из раствора ионы определенного знака, выделяя в раствор другие ионы. Такой процесс называется ионным обменом.

Адсорбция на поверхности твердых тел может протекать весьма интенсивно, особенно в случае значительной поверхности твердого тела. Адсорбция зависит от:

а) температуры;

б) давления;

в) процесса взаимодействия молекул адсорбента и адсорбирующего вещества
(адсорбата);

г) процесса взаимодействия молекул адсорбируемого вещества между собой.

Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты адсорбции.